Проектирование печатной платы модуля усилителя мощности РЧ

Нажмите здесь, чтобы перейти к встроенному просмотру и просмотреть этот проект

Усилители мощности РЧ могут быть найдены в любом беспроводном продукте, часто встроенные в чипсеты или модемы. Однако, в некоторых специализированных системах, может потребоваться высокая мощность на определенной частоте, и это требует отдельной схемы усилителя для обеспечения такой мощности. Эти системы могут использовать внешний генератор и усиливать его для получения сигнала высокой мощности, или локальный генератор может быть использован для генерации необходимого сигнала, который будет подан на усилитель.

В этом примере проекта я покажу, как спроектировать модуль усилителя мощности, который работает в диапазоне 6 ГГц с высокой выходной мощностью (выше примерно 10 дБ). Модуль, который я здесь покажу, обеспечивает высокую выходную мощность за счет усиления сигнала на +13 дБ, и сигнал передается на SMA-разъем. Модуль предназначен для полной самостоятельности; просто подайте питание, и вы получите сигнал высокой частоты на выходном порту!

Смотрите плейлист ниже, чтобы узнать больше о проектировании и компоновке усилителей мощности для систем, работающих в диапазоне 6 ГГц.

Наш модуль усилителя мощности на печатной плате

Компонент усилителя мощности, который мы будем использовать в этом примере, это HMC637ALP5E от Hittite Microwave (теперь Analog Devices). Этот элемент обладает очень высоким усилением и уровнями насыщения (с точки зрения точки IP3 и компрессии на -1 дБ), а также низким уровнем обратных потерь и простыми требованиями к компоновке. Дизайн выполнен в корпусе QFN, но большинство выводов являются заземлением или NC.

Источником сигнала в этом дизайне будет напряжение-управляемый генератор (VCO). Эти компоненты также очень просты в работе со схемами и цепями. Для размещения на печатной плате они требуют учета некоторых важных аспектов контроля импеданса и изоляции, но выход можно напрямую подключить к усилителю мощности. Учитывая мощность выходного сигнала этого VCO, усилитель будет работать весьма стабильно в линейном диапазоне, так что мы ожидаем минимального генерирования гармоник.

Кроме того, у нас будет две важные схемы питания и некоторые вспомогательные компоненты:

• Регулятор системного питания с 12В на 5В (TPS562201DDCR)
• Двухканальный регулятор для обеспечения напряжений затвора (LM27762DSSR)

Схема усилителя мощности

Усилитель мощности в данном примере модуля требует два напряжения затвора и основное напряжение стока для питания. Диапазон отклика очень широк, от постоянного тока до примерно 6 ГГц. В техническом описании диапазон отклика усилителя мощности указан как максимум 6 ГГц, но если вы посмотрите все графики с 2 по 3 страницу в техническом описании, вы увидите, что отклик стабилен вплоть до примерно 8 ГГц. Следовательно, мы, скорее всего, можем работать немного выше 6 ГГц, и система будет работать нормально.

Схема усилителя мощности на схемах показана ниже. У нас есть AC-связь на линиях RFIN и RFOUT, как указано в технических описаниях наших компонентов.

Напряжения затвора, подаваемые на усилитель, подаются через набор штыревых разъемов на печатной плате. Идея здесь в том, чтобы можно было отключить один из разъемов и подключиться к внешнему лабораторному блоку питания при необходимости. Это также позволяет вручную применять последовательность включения питания усилителя. Смотрите страницу технического описания HMC637ALP5E для процедуры включения питания.

VCO, отклик усилителя и его настройка напряжения

Генератор на этой плате имеет номер детали HMC358MS8GE. Этот компонент очень прост в использовании, и выходная частота может быть скорректирована с помощью приложенного постоянного управляющего напряжения на вывод VTUNE. Диапазон выходных частот составляет от 5,8 ГГц до 6,8 ГГц. Схема ВЧО показана ниже.

Подключение питания 3 В к этому ВЧО на вывод VTUNE заставляет осциллятор генерировать сигнал 6,3 ГГц на выходном выводе. Обратите внимание, что согласно техническому описанию HMC637ALP5E, мы можем ожидать стабильного отклика усилителя на частоте 6,3 ГГц, несмотря на указанный предел в 6 ГГц. Поэтому, в первой ревизии этого проекта, мы оставим прямое подключение 3В к VTUNE. В конце статьи я описал несколько способов, которыми управляющее напряжение может быть сделано регулируемым.

Разделительный конденсатор

Питание VDD подается на усилитель мощности с использованием схемы разделительного конденсатора. Разделительный конденсатор, использующий только один конденсатор и индуктор, может быть легко спроектирован для выполнения двух требований:

• Для передачи переменного сигнала потребуется некоторая минимально необходимая емкость
• Между путем постоянного и переменного тока будет определенное соотношение импедансов, которое определяет уровень изоляции от источника постоянного тока
• Индуктивность должна быть больше, когда требуется высокий импеданс изоляции на стороне постоянного тока

Ниже показана схема разделительного конденсатора, которую я использовал.

На выходе ГВЧ 6,3 ГГц этот разделительный конденсатор будет иметь соотношение импедансов примерно 43:1. Ранее я использовал другой усилитель мощности с разделительным конденсатором, который работал нормально даже при соотношении импедансов 1:1. Однако, поскольку этот разделительный конденсатор подключается обратно к штыревому разъему, я бы беспокоился о том, что некоторый сигнал может сильно излучаться с одного из контактов. Поэтому, если ваша цель - максимальная передача мощности к нагрузке, возможно, потребуется уменьшить конденсатор или увеличить индуктивность, но это может изменить полосу пропускания разделительного конденсатора. Полоса пропускания/полоса пропускания разделительного конденсатора должна быть проверена на блокировку постоянного тока и передачу мощности на рабочей частоте усилителя.

Я рассмотрел специфику дизайна байас-ти в другой статье, в этой статье я рассматриваю симуляции этого байас-ти и показываю передачу энергии с текущим байас-ти, а также оптимизированный байас-ти, который обеспечивает максимальную передачу мощности к нагрузке 50 Ом.

Стек и размещение на плате

Эта плата будет размещена на четырехслойном стеке с копланарной трассировкой для РЧ линий. Использование четырехслойного стека позволяет мне разместить землю под поверхностным слоем. На этой плате будут размещены все необходимые компоненты на верхнем слое печатной платы, а также трассировка РЧ соединений. Нижний слой может быть использован для трассировки линий питания, а внутренние слои будут GND. Такой стек и трассировка обеспечат максимальную изоляцию между РЧ секцией и секцией регулятора питания за счет снижения паразитных параметров.

Материал системы, используемый здесь, - это FR4 с низким Dk; примеры марок, которые могут соответствовать этим характеристикам, - Isola 370HR или ITEQ. Отметим, что для этого типа дизайна, где длина соединения относительно коротка, не будет чрезмерных потерь, и нам не нужен материал с низкими потерями, например, Rogers.

Разводка печатной платы для этого модуля требует разделения между силовыми цепями и радиочастотными цепями. В частности, основной переключающий регулятор с 12В на 5В займет значительное количество места. Учитывая малый размер платы, любые коммутирующие элементы следует держать подальше от радиочастотных линий на начальном этапе планирования этой платы. Начальные области, к которым я применю размещение, показаны ниже.

План выше делает три вещи:

• Используя заземление на L2, мы обеспечиваем отличный контроль шума вокруг регуляторов питания
• Оставляет достаточно места вокруг радиочастотных линий и компонентов для штыревых разъемов
• Оставляет прямой путь от VCO к усилителю и выходному SMA-разъему (J1)

Размещение и разводка для цепей регулятора питания являются элементарными, поэтому я не буду повторять это в данной статье. Вы можете прочитать больше о лучших практиках разводки источника питания и разводки переключающего регулятора по этой ссылке.

Раздел маршрутизации РЧ показан ниже. Профиль импеданса, показанный в стеке выше, был использован в качестве правила проектирования для РЧ сетей; эта настройка описана в видео, ссылка на которое приведена выше. Я добавил экранирование к РЧ сетям, чтобы сигнал 6 ГГц мог передаваться по соединению с минимальными утечками. Расстояние между этими переходными отверстиями довольно агрессивное; расстояние от стенки отверстия до стенки отверстия составляет всего 12 mil, что близко к типичному минимуму в 8 или 10 mil, который обычно указывается производственным предприятием.

Готовая компоновка показана ниже. Для предотвращения резонанса коммутационных шумов в верхнем слое были добавлены переходные отверстия с высокочастотным отсечением. Наконец, я добавил немного шелкографии с логотипами и индикаторами напряжения на штыревых разъемах, чтобы помочь в процедуре включения питания.

Как улучшить этот дизайн

Этот дизайн работает на фиксированной частоте, выходящей на широкополосный усилитель. Если бы мы захотели, мы могли бы изменить дизайн, включив возможность регулировки выходного напряжения путем настройки напряжения на выводе VTUNE. Некоторые другие улучшения могут быть уместны после тестирования. Есть несколько вариантов:

1. При необходимости индуктивность разделительного конденсатора может быть заменена на значение в 10-100 раз больше, чтобы увеличить соотношение импедансов на выходе, но будьте осторожны с эффектом на желаемую полосу пропускания.
2. Используйте потенциометр в делителе напряжения на выводе VTUNE.
3. Используйте ЦАП или регулируемый регулятор для настройки напряжения на выводе VTUNE; это потребует дополнительного штыревого разъема к внешнему модулю MCU (например, наш модуль nRF52).
4. Добавьте штыревой разъем, чтобы можно было использовать внешний источник напряжения для настройки.
5. Рассмотрите возможность добавления перехода на большие контактные площадки на C6 и SMA-разъемах для плавных переходов; на SMA-разъемах может возникнуть небольшое несоответствие, которое потребует перехода для компенсации.
6. Продолжая пункт №5, выполните симуляцию для CPW с забором через переходные отверстия, чтобы убедиться, что цель по импедансу достигнута.
7. Хотя SMA-разъемы будут работать с небольшим зазором до нижних контактов, утолщение платы предпочтительнее; производитель может предоставить стек, который это обеспечит.

Это может быть очень полезно, например, если вы хотите вернуть выходной сигнал обратно в максимальную номинальную частоту усилителя мощности 6 ГГц. Как я упоминал выше, вы также можете просто заземлить вывод VTUNE, чтобы постоянно установить выходную частоту ГУН на 5,8 ГГц.

Наконец, для подключения антенны, мы могли бы добавить патч-антенну на задний слой и добавить соединение с антенной через переходное отверстие с помощью зонда. Разместить переходное отверстие к антенне с питанием через зонд на задней стороне платы было бы довольно просто. Однако, из-за маршрутизации питания на заднем слое, самый простой способ сделать это - изменить конструкцию на 6-слойную печатную плату.

Перейдите по этой ссылке, чтобы скачать ZIP-архив с исходными файлами проекта. Вы также можете использовать ссылку для скачивания во встроенном выше материале, чтобы получить доступ к исходным файлам.

Когда вам нужно создать сложные РЧ системы с усилителем мощности или генератором на контуре с переменной емкостью, используйте 2D и 3D CAD инструменты в Altium Designer®. Когда вы закончили свой проект и хотите отправить файлы вашему производителю, платформа Altium 365™ упрощает сотрудничество и обмен проектами.

Мы только коснулись поверхности возможностей Altium Designer на Altium 365. Начните свою бесплатную пробную версию Altium Designer + Altium 365 сегодня.